(57)【要約】    【課題】腐食等の問題を生じることがなく、安価であり、ナノホール形成時間が短くて済み、、ナノホールの孔径及び深さのコントロールの容易なナノホール穿孔装置、及び、ナノホール穿孔方法を提供する。    【解決手段】真空チャンバ１は、内部にプラズマ発生空間１１を有している。磁場発生手段４はプラズマ発生空間１１内に、変動する磁場を印加し、プラズマに揺らぎを与える。基板６をプラズマ発生空間１１に配置し、プラズマの揺らぎに起因して、第１の導電体６１と第２の導電体６２との間に発生する電位差を利用して、基板６にナノホールを穿孔する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと、磁場発生手段とを含み、基板に微細孔を穿孔するナノホール穿孔装置であって、
前記基板は、第1の導電体と、第２の導電体と、絶縁構造体とを含んでおり、
前記第1の導電体及び前記第２の導電体は、前記絶縁構造体を間に挟んで、向き合っており、
前記真空チャンバは、内部にプラズマ発生空間を有しており、
前記磁場発生手段は、前記プラズマ発生空間に、変動する磁場を印加し、プラズマに揺らぎを与えるものであり、
前記基板を前記プラズマ発生空間に配置し、前記プラズマの前記揺らぎに起因して、前記第1の導電体と前記第２の導電体との間に発生する電位差を利用して、前記基板に微細孔を穿孔する
ナノホール穿孔装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたナノホール穿孔装置であって、前記磁場発生手段は、マグネットでなり、前記真空チャンバの回りを周回するナノホール穿孔装置。
【請求項３】
請求項１に記載されたナノホール穿孔装置であって、前記磁場発生手段は、複数の電磁石でなり、前記真空チャンバの周りに配置され、前記真空チャンバの周りに回転する磁界を生じさせるナノホール穿孔装置。
【請求項４】
請求項１に記載されたナノホール穿孔装置であって、
前記プラズマ発生空間は、不活性ガス雰囲気であり、
前記真空チャンバは、、カソードと、基板ホルダとを含んでおり、
前記カソードは、前記プラズマ発生空間に配置されており、
前記基板ホルダは、前記カソードから間隔を隔てて、前記プラズマ発生空間に設けられており、
前記カソード及び前記基板ホルダには、前記カソードを負電位とする電源が供給される
ナノホール穿孔装置。
【請求項５】
請求項４に記載されたナノホール穿孔装置であって、前記電源は高周波電源であるナノホール穿孔装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載されたナノホール穿孔装置であって、更に、シャッタを含み、前記シャッタは、前記プラズマ発生空間において、前記カソードと、前記基板との間に配置されるナノホール穿孔装置。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載されたナノホール穿孔装置であって、前記基板は、前記第１の導電体の前記他面上に突起を有するナノホール穿孔装置。
【請求項８】
真空チャンバと、磁場発生手段とを含み、基板に微細孔を穿孔するナノホール穿孔方法であって、
前記基板は、第1の導電体と、第２の導電体と、絶縁構造体とを含んでおり、
前記第1の導電体及び前記第２の導電体は、前記絶縁構造体を間に挟んで、向き合っており、
前記真空チャンバは、内部にプラズマ発生空間を有しており、
前記磁場発生手段は、前記プラズマ発生空間に、変動する磁場を印加し、プラズマに揺らぎを与えるものであり、
前記基板を前記プラズマ発生空間に配置し、前記プラズマの前記揺らぎに起因して、前記第1の導電体と前記第２の導電体との間に発生する電位差を利用して、前記基板に微細孔を穿孔する
ナノホール穿孔方法。
【請求項９】
請求項８に記載されたナノホール穿孔方法であって、前記磁場発生手段は、マグネットでなり、前記真空チャンバの回りを周回するナノホール穿孔方法。
【請求項１０】
請求項８に記載されたナノホール穿孔方法であって、前記磁場発生手段は、複数の電磁石でなり、前記真空チャンバの周りに配置され、前記真空チャンバの周りに回転する磁界を生じさせるナノホール穿孔方法。
【請求項１１】
請求項８に記載されたナノホール穿孔方法であって、
前記プラズマ発生空間は、不活性ガス雰囲気であり、
前記真空チャンバは、、カソードと、基板ホルダとを含んでおり、
前記カソードは、前記プラズマ発生空間に配置されており、
前記基板ホルダは、前記カソードから間隔を隔てて、前記プラズマ発生空間に設けられており、
前記カソード及び前記基板ホルダには、前記カソードを負電位とする電源が供給される
ナノホール穿孔方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載されたナノホール穿孔方法であって、前記電源は高周波電源であるナノホール穿孔方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載されたナノホール穿孔方法であって、更に、シャッタを含み、前記シャッタは、非穿孔時には、前記プラズマ発生空間において、前記カソードと、前記基板との間に配置され、穿孔時には前記カソードと前記基板との間から退避させる
ナノホール穿孔方法。
【請求項１４】
請求項８乃至１３の何れかに記載されたナノホール穿孔方法であって、前記基板は、前記第１の導電体の前記他面上に突起を有するナノホール穿孔方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細孔（ナノホール）を穿孔するナノホール穿孔装置及びナノホール穿孔方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノホールと呼ばれる細孔を有する構造体（以下ナノ構造体と称する）は、磁気デバイス、光デバイスまたは量子効果デバイスなどを製造するために、必要不可欠な構造体である。
【０００３】
ナノ構造体の製造方法としては、フォトリソグラフィーのほか、電子線露光、Ｘ線露光などの微細パターン描画技術などを適用した半導体加工技術によるものがあげられる。このような作製法のほかに、非特許文献１は、陽極酸化アルミナナノホールによりナノ構造体を実現する手法を開示している。陽極酸化アルミナナノホールにおいて、さまざまな応用が試みられており、非特許文献２には、フォトニック結晶としての効果が報告されている。
【０００４】
また、陽極酸化アルミナナノホールを用いた発光素子の例として、非特許文献３には「逆電剥離Tb3＋付活陽極酸化Al2O3皮膜を用いた緑色発光素子」が発表されている。
【０００５】
しかし、従来の陽極酸化アルミナナノホールは、Ａｌ板（膜）の表面に限られていたため、その応用に制限があった。また、Ａｌ膜を電極とするためには、ナノホール底部のバリア層の除去を必要とし、除去工程はナノホールの径や形状の不均一をもたらすおそれもあった。
【０００６】
上述した問題点を解決する手段として、特許文献１は、酸化錫を主成分とする電極上に、Ａｌを主成分とする膜を陽極酸化することにより形成された細孔を有する部材を配置してなるナノ構造体を開示している。
【０００７】
特許文献１に記載された陽極酸化は、湿式方法によるので、装置が安価であること、ナノホール形成時間が短くてすむことなどの利点はあるが、用いられた溶液を、ナノホールから完全に除去することが困難であり、残存した溶液が、他の材料を腐食させ、または劣化させるという問題がある。
【非特許文献１】R.C.Furneaux、W.R.Rigby&A.P.Davidson「NATURE」Vol.337、147頁(1989年)
【非特許文献２】Jpn.J.Appl.Phys.  Vol.38(1999)pp.L1403〜L1405
【非特許文献３】表面技術  Vol.40、No12、1405頁(1989年)
【特許文献１】特開２００１-３０５３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、腐食等の問題を生じることなく、ナノホールを形成し得るナノホール穿孔装置及びナノホール穿孔方法を提供することである。
【０００９】
本発明のもう一つの課題は、装置が安価であり、ナノホール形成時間が短くて済むナノホール穿孔装置及びナノホール穿孔方法を提供することである。
【００１０】
本発明のもう一つの課題は、ナノホールの孔径及び深さのコントロールの容易なナノホール穿孔装置及びナノホール穿孔方法を提供することである。
【００１１】
本発明の更にもう一つの課題は、各種材料にナノホールを形成し得るナノホール穿孔装置及びナノホール穿孔方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するため、本発明に係るナノホール穿孔装置は、真空チャンバと、磁場発生手段とを含み、基板にナノホールを穿孔するために用いられる。
【００１３】
ナノホール穿孔装置に適用される前記基板は、第1の導電体と、第２の導電体と、絶縁構造体とを含む。前記第1の導電体及び前記第２の導電体は、前記絶縁構造体を間に挟んで、向き合っている。
【００１４】
ナノホール穿孔装置において、前記真空チャンバは、内部にプラズマ発生空間を有している。前記磁場発生手段は、前記プラズマ発生空間に、変動する磁場を印加し、プラズマに揺らぎを与える。
【００１５】
そして、前記基板を前記プラズマ発生空間に配置し、前記プラズマの前記揺らぎに起因して、前記第1の導電体と前記第２の導電体との間に発生する電位差を利用して、前記基板に微細孔を穿孔する。
【００１６】
上述したナノホール穿孔装置において、真空チャンバは、内部にプラズマ発生空間を有している。プラズマ発生空間のプラズマは、電磁的外乱などのない通常状態では、場所的偏在を生じることなく、バランスした状態にある。
【００１７】
本発明では、磁場発生手段を含んでおり、この磁場発生手段は、プラズマ発生空間に、変動する磁場を印加し、プラズマに揺らぎを与える。これにより、プラズマ発生空間におけるプラズマのバランスが崩れ、プラズマの局所的偏在が生じる。
【００１８】
プラズマ発生空間には、穿孔対象の基板が配置されている。基板では、第1の導電体及び第２の導電体が絶縁構造体を間に挟んで向き合っており、第１の導電体が基準電位に保たれている。このため、磁場発生手段によるプラズマの揺らぎに起因して、プラズマの局所的偏在が発生した場合、第1の導電体と第２の導電体との間に電位差が発生する。この電位差が、第１の導電体及び第２の導電体によって挟まれた絶縁構造体の耐電圧以上に上昇すると、第１の導電体と第２の導電体との間に放電が発生し、基板を構成する絶縁構造体にナノホールが穿孔される。
【００１９】
上述したように、本発明に係るナノホール穿孔装置及びそれを用いたナノホール穿孔方法では、基板を、真空チャンバのプラズマ発生空間に配置し、磁場発生手段によって与えられるプラズマの揺らぎに起因して、第1の導電体と第２の導電体との間に発生する電位差を利用して、基板に微細孔を穿孔するから、腐食等の問題を生じることなく、ナノホールを形成し得る。
【００２０】
本発明に係るナノホール穿孔装置は、スパッタ成膜等のために一般に用いられている真空成膜装置を、そのまま転用し、ナノホールを短時間で形成できる。したがって、特別の設備を必要としないから、コストが安価になる。
【００２１】
しかも、ナノホールの孔径、深さなどは、真空チャンバ内の圧力、電源電圧、及び、カソードと基板との間の距離を選択することにより、容易に制御できる。
【００２２】
更に、穿孔対象の絶縁構造体は、電気絶縁物を含めばよいから、その範囲内で、各種材料にナノホールを形成し得る。
【００２３】
磁場発生手段は、マグネットで構成し、真空チャンバの回りを周回するように配置することができる。このような構成も、一般的な真空成膜装置では、既設の構成であるから、特別の構造として付加する必要のないものである。
【００２４】
磁場発生手段は、複数の電磁石で構成し、これらを、真空チャンバの周りに配置し、真空チャンバの周りに回転する磁界を生じさせてもよい。
【００２５】
本発明に係るナノホール穿孔装置は、一般的な真空成膜装置を転用することができることは前述したとおりである。この場合には、本発明に係るナノホール穿孔装置は、次の構成になる。
【００２６】
まず、プラズマ発生空間は、アルゴンガス又はキセノンガスなどの不活性ガス雰囲気である。真空チャンバは、カソードと、基板ホルダとを含んでいる。カソードは、プラズマ発生空間に配置される。基板ホルダは、カソードから間隔を隔てて、プラズマ発生空間に設けられている。カソード及び基板ホルダには、カソードを負電位とする電源が供給される。基板は、第１の導電体が基板ホルダと接するようにして、基板ホルダによって支持される。電源としては、真空成膜装置において一般的に用いられる高周波電源（RF電源）が好ましい。
【００２７】
本発明に係るナノホール穿孔装置は、更に、シャッタを含んでいてもよい。このシャッタは、プラズマ発生空間において、カソードと、基板との間に配置される。このような構成によると、シャッタとカソードとの間の距離を放電限界以下にし、カソードと基板との間の距離で、放電可能範囲となるような放電条件を設定して、穿孔することができる。
【００２８】
基板は、１つの好ましい態様として、第１の導電体の面上に突起を有することができる。このような構造の基板を用いた場合、第２の導電体から、第１の導電体の突起に向かって放電が発生するので、突起のある位置に、ほぼ正確に、ナノホールを穿孔することができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上述べたように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
（ａ）腐食等の問題を生じることなく、ナノホールを形成し得るナノホール穿孔装置及びナノホール穿孔方法を提供することができる。
（ｂ）装置が安価であり、ナノホール形成時間が短くて済むナノホール穿孔装置及びナノホール穿孔方法を提供することができる。
（ｃ）ナノホールの孔径及び深さのコントロールの容易なナノホール穿孔装置及びナノホール穿孔方法を提供することができる。
（ｄ）各種材料にナノホールを形成し得るナノホール穿孔装置及びナノホール穿孔方法を提供することができる。
【００３０】
本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。添付図面は単なる例示に過ぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は本発明に係るナノホール穿孔装置の構成を示す図である。図示のナノホール穿孔装置は、真空チャンバ１と、磁場発生手段４とを含む。
【００３２】
図示のナノホール穿孔装置は、一般的な真空成膜装置を転用したものであり、真空チャンバ１は、内部に、アルゴンガス又はキセノンガスなどの不活性ガス雰囲気のプラズマ発生空間１１を有しており、プラズマ発生空間１１の内部に、カソード２と、基板ホルダ５とが設けられている。実施例では、不活性ガスとして、アルゴンガスを用いた場合を例にとって説明する。一般的な真空成膜装置の場合、カソード２の表面に、ターゲットが備えられるが、本発明に係るナノホール穿孔装置の場合は、ターゲットは不要である。
【００３３】
基板ホルダ５は、カソード２から間隔を隔てて、プラズマ発生空間１１に設けられている。カソード２及び基板ホルダ５には、電源７１、７２から、カソード２を負電位とする電圧が供給される。電源７１、７２は、真空成膜装置において一般的に用いられる高周波電源（RF電源）である。電源７２はバイアス用のRF電源である。
【００３４】
基板６は、第1の導電体６１と、第２の導電体６２と、絶縁構造体６０とを含む。第1の導電体６１及び第２の導電体６２は、絶縁構造体６０を間に挟んで、向き合っている。基板６は、第1の導電体６１が基板ホルダ５と接するようにして、基板ホルダ５によって支持される。第1の導電体６１の電位V1は、基板ホルダ５のバイアス電位と一致し、基準電位となる。
【００３５】
第２の導電体６２は、図示実施例では、絶縁構造体６０の表面に複数設けられているが、絶縁構造体６０の内部に埋設されていてもよい。絶縁構造体６０は、単一の絶縁材料で構成されていてもよいし、異なる絶縁材料で構成された複数の層の積層体であってもよい。複数の絶縁層の積層界面に、導電体を配置してあってもよい。絶縁構造体６０は、アルミナなどの無機絶縁材料又は有機絶縁材料の何れの絶縁膜を含んでいてもよい。ナノホールを形成することを前提にすると、絶縁構造体６０の上に、金属材料をスパッタして、第１の導電体６１及び第２の導電体６２を形成することになろうから、絶縁構造体６０も無機絶縁材料で構成するのが一般的である。
【００３６】
磁場発生手段４は、プラズマ発生空間１１に変動する磁場を印加し、プラズマに揺らぎを与える。図示実施例では、磁場発生手段４は、マグネットで構成されており、真空チャンバ１の回りを、矢印Zで示す方向に周回するように配置される。このような構成も、一般的な真空成膜装置では、既設の構成であるから、特別の構造として付加する必要のないものである。磁場発生手段４は、複数の電磁石で構成し、これらを、真空チャンバ１の周りに配置し、真空チャンバ１の周りに回転する磁界を生じさせてもよい。
【００３７】
上記ナノホール穿孔装置により、基板６にナノホールを穿孔するには、基板６を、プラズマ発生空間１１に配置し、第1の導電体６１を基準電位に保ち、プラズマの揺らぎに起因して、第1の導電体６１と第２の導電体６２との間に発生する電位差を利用して、基板６に微細孔を穿孔する。次に、この点について、図２を参照して更に詳しく説明する。
【００３８】
カソード２及び基板ホルダ５にRF電源７１，７２から電圧を印加し、真空チャンバ１のプラズマ発生空間１１に存在するArガスを電離しプラズマ化した場合、電磁的外乱などのない通常状態では、真空チャンバ１のプラズマ発生空間１１では、Arガスの電離によって発生したAr+と電子ｅ-が、場所的偏在を生じることなく、バランスした状態で存在する。
【００３９】
本発明では、磁場発生手段４を含んでおり、この磁場発生手段４は、プラズマ発生空間１１内に、変動する磁場を印加し、プラズマに揺らぎを与える。これにより、プラズマ発生空間１１内におけるプラズマのバランスが崩れ、電荷の局所的偏在が生じる。
【００４０】
例えば、基板６の左側（図２において）に位置する第２の電極６２の上方にAr+が偏在P1し、右側に位置する第２の電極６２の上方に電子ｅ-が偏在N1するような、局所的電荷のアンバランスを生じる。プラズマ発生空間１１には、穿孔対象の基板６が配置されており、基板６では、第1の導電体６１及び第２の導電体６２が絶縁構造体６０を間に挟んで向き合っており、第1の導電体６１が基準電位V1に保たれている。
【００４１】
このため、磁場発生手段４によるプラズマの揺らぎに起因して、電荷の局所的偏在が発生した場合、この部分で、第２の導電体６２の電位が上昇し、第1の導電体６１と第２の導電体６２との間に電位差V2が発生する。この電位差V2が、第1の導電体６１及び第２の導電体６２によって挟まれた絶縁構造体６０の耐電圧Vb以上に上昇すると、第1の導電体６１と第２の導電体６２との間で放電が発生し、基板６を構成する絶縁構造体６０及び第２の導電体６２にナノホールｎH1、ｎH2が穿孔される。
【００４２】
上述したように、本発明に係るナノホール穿孔装置では、基板６を、真空チャンバ１内のプラズマ発生空間１１に配置し、磁場発生手段４によって与えられるプラズマの揺らぎに起因して、基板６の第1の導電体６１と第２の導電体６２との間に発生する電位差V2を利用して、基板６にナノホールｎH1、ｎH2を穿孔するから、腐食等の問題を生じることがない。
【００４３】
また、スパッタ成膜等のために一般に用いられている真空成膜装置を、そのまま転用し、ナノホールｎH1、ｎH2を短時間で形成できる。したがって、特別の設備を必要としないから、コストが安価になる。
【００４４】
しかも、ナノホールｎH1、ｎH2の孔径、深さなどは、真空チャンバ１内の圧力、電源電圧、及び、カソード２と基板６との間の距離を選択することにより、容易に制御できる。
【００４５】
更に、穿孔対象材料は、電気絶縁物であればよいから、その範囲内で、各種材料にナノホールを形成し得る。
【００４６】
次に、実験データを挙げて、具体的に説明する。
図１に示したナノホール穿孔装置を用いて、ナノホール穿孔実験を行った。実験に供された基板の構造を図３に示す。図３において、第１の導電体６１は、アルミナ．チタン．カーバイト基板（Al2O3-TiC基板）であり、その上にAl2O3膜６０１、NiFe膜６０２、Al2O3膜６０３、金属膜６０４及びAl2O3膜６０５を積層し、Al2O3膜６０５の表面に、第２の導電体６２を形成した。ナノホール穿孔条件及び結果を、表１に示す。また、ナノホールｎH3、ｎH4の穿孔の状態を、図４に模式的に図示した。
【００４７】
【表１】
2005177935.tif 000003
表１に記載されているように、供給電力３（ｋＷ）、カソード．基板間距離３０（ｍｍ）、ガス圧２．５（ｍＴ）のときは、放電せず、ナノホールの穿孔はなされないが、供給電力３（ｋＷ）、ガス圧２．５（ｍＴ）を同一に保ったままで、カソード．基板間距離５０（ｍｍ）、７０（ｍｍ）、１４０（ｍｍ）のように設定すると、放電が発生し、ナノホールｎH3、ｎH4（図４参照）が穿孔される。ナノホール径は、カソード．基板間距離が５０（ｍｍ）で３５０（ｎｍ）、７０（ｍｍ）で２００（ｎｍ）、１４０（ｍｍ）で８０（ｎｍ）となる。即ち、カソード．基板間距離を増大させることにより、それにつれて、孔径の縮小されたナノホールを得ることができる。
【００４８】
一方、ナノホール深さは、カソード．基板間距離が５０（ｍｍ）で８００（ｎｍ）、７０（ｍｍ）で５００（ｎｍ）、１４０（ｍｍ）で４００（ｎｍ）となる。即ち、カソード．基板間距離を増大させることにより、それにつれて、深さを浅くしたナノホールを得ることができる。
【００４９】
図５は基板の別の例を示す断面図である。図示された基板６は、第1の導電体６１の面上に突起６１１、６１２を有する。このような構造の基板６を用いた場合、第２の導電体６２から、第1の導電体６１の突起６１１、６１２に向かって放電が発生するので、突起６１１、６１２のある位置に、ほぼ正確に、ナノホールを穿孔することができる。
【００５０】
図６は本発明に係るナノホール穿孔装置の別の実施例を示す図である。図示されたナノホール穿孔装置は、シャッタ９を含んでいる。このシャッタ９は、プラズマ発生空間１１において、カソード２と、基板６との間に配置される。このような構成によると、シャッタとカソード２との間の距離T1を放電限界以下にし、カソード２と基板６との間の距離T2で、放電可能範囲となるような放電条件を設定して、穿孔することができる。シャッタ９は、非穿孔プロセスでは、カソード２と基板６との間から、退避させる。
【００５１】
以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係るナノホール穿孔装置の構成、及び、それを用いたナノホール穿孔方法を示す図である。
【図２】図１に示したナノホール穿孔装置、及び、それを用いたナノホール穿孔方法による穿孔作用を説明する図である。
【図３】ナノホール穿孔実験に供された基板の構造を示す断面図である。
【図４】図３に示した基板におけるナノホールの穿孔の状態を模式的に示す図である。
【図５】穿孔対象たる基板の別の例を示す断面図である。
【図６】本発明に係るナノホール穿孔装置の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１            真空チャンバ
２            カソード
４            磁場発生手段
５            基板ホルダ
６            基板
６０            絶縁構造体
６１            第１の導電体
６２            第２の導電体
【図１】
2005177935.tif 000004
【図２】
2005177935.tif 000005
【図３】
2005177935.tif 000006
【図４】
2005177935.tif 000007
【図５】
2005177935.tif 000008
【図６】
2005177935.tif 000009